一种微波增益型CO2相变泄压防治岩爆方法与流程

本发明涉及tbm隧道施工技术领域，特别是指一种微波增益型co2相变泄压防治岩爆方法。

背景技术：

现有的针对岩爆的控制技术主要包括两种思路：泄压和加固。泄压方法包括震动爆破，水力压裂，超前钻孔，超前导洞等；加固方法主要包括抗震吸能支护结构，包括吸能锚杆，吸能衬砌结构等。以上的方法，针对钻爆法施工工法中，应力释放泄压的方法应用较多，有一定得效果。tbm工法施工具有掘进速度快，综合效益高的诸多优点，但在有岩爆倾向的地层中，tbm刀盘和盾体结构占据了隧道的绝大部分空间，传统钻爆法的岩爆控制措施难以有效实施，超前应力释放钻孔难以从根本上释放岩爆地层的高应力，岩爆问题难以有效控制；如申请号为cn201810554909.x的实现岩爆预处理的组合式tbm及岩爆预处理掘进方法，其采用超前tbm和扩挖tbm组合式的tbm配合地质钻机进行泄压和加固操作，但是结构复杂且限于机械破碎泄压，机械扰动较大，岩爆防治效果不佳。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种微波增益型co2相变泄压防治岩爆方法，解决了现有技术中岩爆防治效果不佳的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种微波增益型co2相变泄压防治岩爆方法，步骤如下：

s1：利用超前钻机对掌子面进行钻孔，形成超前钻孔。其中，钻孔范围为掌子面上拱顶22.5°~157.5°之间的135°范围内。超前钻孔的深度为10~20m。

s2：将微波发生装置的微波耦合导杆插入超前钻孔内，且距至岩爆孕育区域一定距离；优选微波耦合导杆距离岩爆孕育区域20~30m。

s3：微波发生装置通过微波耦合导杆对超前钻孔周围的岩体进行微波照射，直至岩体上产生微波裂缝；微波照射的时间t≥30分钟，对岩体进行加热使其产生微波裂缝。

s4：超临界co2发生装置通过微波耦合导杆向超前钻孔内注入超临界co2，超临界co2进入被微波照射过的微波裂缝内，快速膨胀，使岩体产生裂纹网格。具体地，超临界co2一部分进入微波照射产生的微波裂缝内、一部分进入钻孔产生的钻孔裂缝内。

s5：在超临界co2快速膨胀过程中，发生气体振动，对岩体进行泄压，防治岩爆。微波照射和超临界co2爆生气体振动两种破裂机制配合，对岩体进行破坏，达到泄压目的。

其中，微波发生装置包括微波发生器和微波耦合导杆，微波耦合导杆的一端与微波发生器连接、另一端伸出tbm刀盘。微波耦合导杆包括主导管，主导管的外端部设有耦合喷头，主导管通过管道与超临界co2箱连通。耦合喷头包括与主导管连接的微波发生杆，微波发生杆的外壁上设有超临界co2发射孔，管道位于主导管内，且管道的喷出部设有喷出口，喷出口与超临界co2发射孔对应。

本发明采用增益型co2进行泄压岩爆防治，在施工过程中先进行微波照射，产生微裂纹，增加超临界co2爆生气体振动的效果，超临界co2进入微波产生的预制裂纹中，在裂纹中快速膨胀，不仅能够更多的裂纹网格，而且爆生气体振动也能达到高应力的泄压效果，实现了硬岩岩体的改造和振动泄压两个作用效果，机械扰动较小，对tbm施工过程中防止岩爆效果明显，且提高施工安全系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明微波发生装置在tbm内的布置示意图。

图2为本发明耦合喷头局部放大图。

图3为钻孔分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种微波增益型co2相变泄压防治岩爆方法，步骤如下：

s1：利用超前钻机对掌子面进行钻孔，形成超前钻孔；钻孔范围为掌子面上拱顶22.5°~157.5°之间的需要硬岩应力释放的135°范围内。如图3所示，6表示隧道开挖外径；61表示隧道断面顶部超前钻孔位置；62表示隧道断面内超前钻孔位置。超前钻孔的深度为10~20m，根据岩爆孕育区域进行选择。

s2：将微波发生装置的微波耦合导杆插入超前钻孔内，且距至岩爆孕育区域一定距离。优选地，微波耦合导杆距离岩爆孕育区域20~30m，确保微波耦合导杆工作后对岩爆孕育区域进行有效泄压。

s3：微波发生装置通过微波耦合导杆对超前钻孔周围的岩体进行微波照射，直至岩体上产生微波裂缝。优选地，微波照射的时间t≥30分钟，对岩体进行加热使其产生微波裂缝。即导杆进入钻孔后首先进行微波加热照射，利用微波照射下岩石温度快速上升，因岩石内部各种矿物成分的热响应的不同，在岩石内部产生非均匀分布的热应力集中，使得矿物成分间产生沿晶破裂甚至穿晶破裂；加之微波照射下岩石内部温度明显高于表面温度，形成强烈的热冲击效应，产生微波裂缝。

s4：超临界co2发生装置通过微波耦合导杆向超前钻孔内注入超临界co2，超临界co2进入被微波照射过的微波裂缝内，快速膨胀，使岩体产生裂纹网格。具体地，超临界co2一部分进入微波照射产生的微波裂缝内、一部分进入钻孔产生的钻孔裂缝内，超临界co2在微波温度较高的岩体中迅速膨胀，产生爆生气体，进入微波照射产生的预制裂隙中，达到泄压的效果。

s5：在超临界co2快速膨胀过程中，发生气体振动，对岩体进行泄压，防治岩爆。微波照射和超临界co2爆生气体振动两种破裂机制配合，对岩体进行破坏，达到泄压目的。与传统的微波法泄压相比具有很高的先进性。增益型co2是指在超临界co2释放之前，先进行微波照射，产生微裂纹，增加其爆生气体的效果。微波的作用为产生微裂纹和加热超临界co2，泄压的效果是通过超临界co2快速膨胀产生爆生气体实现，机械扰动较小，施工更加安全。

实施例2，如图1、2所示，微波发生装置包括微波发生器5和微波耦合导杆，微波耦合导杆的一端与微波发生器5连接、另一端伸出tbm刀盘1。微波发生装置的结构就是一个大功率的微波发射源，放在超前钻机后面的位置上；微波耦合导杆推进方式也是放到超前钻机上，利用钻机推进，导杆深入钻孔内。使用时，微波发生器在钻机的作用下，其微波耦合导杆伸出刀盘，进入钻机，进行微波作用；微波作业完成后进行超临界co2爆生气体振动，进而达到快速安全泄压。

优选地，微波耦合导杆包括主导管2，主导管2的外端部设有耦合喷头4，主导管2通过管道43与超临界co2箱3连通。耦合喷头4包括与主导管2连接的微波发生杆41，微波发生杆41的外壁上设有超临界co2发射孔42，管道43位于主导管2内，且管道43的喷出部设有喷出口44，喷出口44与超临界co2发射孔42对应。微波发生器通过主导管和耦合喷头对岩体进行微波加热，并使其产生裂缝，然后超临界co2箱内的超临界co2经管道43进入耦合喷头，然后从喷出口44、超临界co2发射孔42进入裂缝内，实现微波+超临界co2爆生气体振动的双破裂机制进行泄压，实现增益超临界co2的泄压效果，起到岩爆防治的作用。其施工方法与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。